Cuando piensas en proteínas, las enzimas, las moléculas de señalización y los componentes estructurales de todos los seres vivos, puedes pensar en cadenas individuales de aminoácidos, organizadas como cuentas en una cuerda. Pero casi todas las proteínas consisten en múltiples hebras plegadas y unidas entre sí, formando superestructuras 3D complicadas llamadas ensamblajes moleculares. Uno de los pasos clave para comprender la biología es descubrir cómo una proteína hace su trabajo, lo que requiere el conocimiento de sus estructuras hasta el nivel atómico.
Durante el siglo pasado, los científicos desarrollaron e implementaron tecnologías sorprendentes, como la cristalografía de rayos X y la microscopía crioelectrónica, para determinar la estructura de las proteínas y, por lo tanto, respondieron innumerables preguntas importantes. Pero un nuevo trabajo muestra que comprender la estructura de las proteínas a veces puede ser más complicado de lo que pensamos.
Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) que estudia la proteína más abundante del mundo, una enzima involucrada en la fotosíntesis llamada rubisco, mostró cómo la evolución puede conducir a una sorprendente diversidad de ensamblajes moleculares que realizan la misma tarea. Los hallazgos, publicados hoy en Avances de la cienciarevelan la posibilidad de que muchas de las proteínas que creíamos conocer en realidad existen en otras formas desconocidas.
Históricamente, si los científicos resolvían una estructura y determinaban que una proteína era dimérica (compuesta por dos unidades), por ejemplo, podían suponer que también existían proteínas similares en forma dimérica. Pero el pequeño tamaño de la muestra y el sesgo de muestreo, factores inevitables dado que es muy difícil convertir proteínas naturalmente líquidas en formas sólidas y cristalizadas que pueden examinarse mediante cristalografía de rayos X, oscurecían la realidad.
“Es como si caminaras afuera y vieras a alguien paseando a su perro, si nunca antes hubieras visto un perro y luego vieras un perro salchicha, pensarías: ‘Está bien, así es como se ven todos los perros’. Pero lo que debe hacer es ir al parque para perros y ver toda la diversidad de perros que hay allí», dijo el autor principal Patrick Shih, científico de la facultad en el Área de Biociencias y Director de Diseño de Biosistemas de Plantas en el Joint BioEnergy Institute (JBEI). «Una conclusión de este artículo que va más allá del rubisco, a todas las proteínas, es la cuestión de si estamos viendo o no la verdadera gama de estructuras en la naturaleza, o si estos sesgos hacen que parezca que todo parece un perro salchicha».
Con la esperanza de explorar todos los diferentes arreglos de rubisco en el parque metafórico para perros y aprender de dónde vienen, el laboratorio de Shih colaboró con expertos en biología estructural del Área de Biociencia utilizando la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. Juntos, el equipo estudió un tipo de rubisco (forma II) que se encuentra en las bacterias y un subconjunto de microbios fotosintéticos utilizando cristalografía tradicional, una técnica capaz de resolución a nivel atómico, combinada con otra técnica de resolución de estructuras, X-ángulo pequeño. dispersión de rayos (SAXS), que tiene una resolución más baja pero puede tomar instantáneas de proteínas en su forma nativa cuando están en mezclas líquidas. SAXS tiene la ventaja adicional de una capacidad de alto rendimiento, lo que significa que puede procesar docenas de ensamblajes de proteínas individuales en rápida sucesión.
El trabajo anterior había demostrado que el tipo de rubisco mejor estudiado que se encuentra en las plantas (forma I) siempre toma un conjunto de «núcleo octámero» de ocho unidades de proteína grandes dispuestas con ocho unidades pequeñas, mientras que se creía que la forma II existía principalmente como un dímero con un pocos ejemplos raros de hexámeros de seis unidades. Después de usar estas técnicas complementarias para examinar muestras de rubisco de una amplia gama de especies de microbios, los autores observaron que la mayoría de las proteínas de rubisco de forma II son en realidad hexámeros, con un dímero ocasional, y descubrieron un tetramérico nunca antes visto (cuatro unidades). asamblea.
La combinación de estos datos estructurales con las respectivas secuencias de genes que codifican proteínas permitió al equipo realizar la reconstrucción de secuencias ancestrales, un método de evolución molecular basado en computadora que puede estimar cómo se veían las proteínas ancestrales en función de la secuencia y la apariencia de las proteínas modernas que evolucionaron a partir de ellas. .
La reconstrucción sugiere que el gen de la forma II rubisco ha cambiado a lo largo de su historia evolutiva para producir proteínas con una variedad de estructuras que se transforman en nuevas formas o vuelven a estructuras más antiguas con bastante facilidad. Por el contrario, durante el curso de la evolución, las presiones selectivas condujeron a una serie de cambios que bloquearon la forma I rubisco en su lugar, un proceso llamado atrincheramiento estructural, razón por la cual el ensamblaje octamérico es el único arreglo que vemos ahora. Según los autores, se asumió que la mayoría de los ensamblajes de proteínas se consolidaron con el tiempo por presión selectiva para refinar su función, como vemos con la forma I rubisco. Pero esta investigación sugiere que la evolución también puede favorecer a las proteínas flexibles.
«El gran hallazgo de este artículo es que hay mucha plasticidad estructural», dijo Shih, quien también es profesor asistente en UC Berkeley. «Las proteínas pueden ser mucho más flexibles, en todo el campo, de lo que creíamos».
Después de completar la reconstrucción de la secuencia ancestral, el equipo realizó experimentos mutacionales para ver cómo la alteración del ensamblaje de rubisco, en este caso la ruptura de un hexámero en un dímero, afectaba la actividad de la enzima. Inesperadamente, esta mutación inducida produjo una forma de rubisco que utiliza mejor su molécula objetivo, CO2. Todo el rubisco natural se une con frecuencia al O de tamaño similar2 molécula por accidente, lo que reduce la productividad de la enzima. Existe un gran interés en modificar genéticamente el rubisco en especies de plantas agrícolas para aumentar la afinidad de la proteína por el CO2, con el fin de producir cultivos más productivos y eficientes en el uso de los recursos. Sin embargo, se ha prestado mucha atención al sitio activo de la proteína, la región de la proteína donde el CO2 o O2 unir.
«Esta es una idea interesante para nosotros porque sugiere que para tener resultados más fructíferos en la ingeniería de rubisco, no podemos simplemente mirar la respuesta más simple, la región de la enzima que realmente interactúa con el CO2«, dijo el primer autor Albert Liu, un estudiante graduado en el laboratorio de Shih. «Tal vez hay mutaciones fuera de ese sitio activo que realmente participan en esta actividad y pueden cambiar potencialmente la función de la proteína de la manera que queremos. Eso es algo que realmente abre las puertas a futuras vías de investigación».
El coautor Paul Adams, director asociado del laboratorio de biociencias y vicepresidente de tecnología de JBEI agregó: «La combinación de técnicas empleadas y la naturaleza interdisciplinaria del equipo fue una verdadera clave del éxito. El trabajo destaca el poder de combinar datos genómicos y métodos de biología estructural para estudiar uno de los problemas más importantes de la biología y llegar a algunas conclusiones inesperadas».
Los experimentos de biología estructural se realizaron en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE). La línea de luz SYBILS está parcialmente financiada por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del DOE. La cristalografía de rayos X se realizó en el Centro de Biología Estructural de Berkeley. JBEI es un Centro de Investigación en Bioenergía gestionado por Berkeley Lab. Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE y la Fundación David y Lucile Packard.
